İstanbul Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Anabilim Dalı / Konstrüksiyon Bilim Dalı
2017
A numerical analysis of friction-induced noise in stick-slip friction
Tutma-bırakma sürtünmesi kaynaklı gürültünün sayısal olarak incelenmesi
Shahrad Samankan
Özet:
Tribolojik problemler mekanik özelliklerin en büyük problemlerinden biridir. Aşınma, sıcaklık, sürtünme, titreşim ve gürültü tribolojik mekanizmaların sonucudur. Sürtünmeden kaynaklanan gürültü, mekanik endüstride hâlâ önemli bir konudur. Sürtünmeyi ve gürültüyü azaltmak için herhangi bir yağlayıcıyı kullanamayacakları birçok koşul vardır. Araştırmacılar yıllar boyunca bu konuda geniş çapta çalışıyorlar, sürtünme etkilerini tasarımlarını değiştirerek azaltmaya çalışıyorlar ya da sistemlerin veya kullanım koşullarının işlevselliğini değiştirmeye çalışıyorlar. Bu tezde, FEM simülasyonu ile sürtünme kaynaklı gürültüye ilişkin sayısal inceleme sunulmaktadır. Son yıllarda, mekanik özellikler üzerindeki gürültü problemleri hakkında yapılan çalışmalar yaygınlaşmıştır. Özellikle simülasyon ve yüksek tahmin oranı çözümlemeleri sebebiyle sayısal çalışmalar çok popüler hale gelmiştir. Son yapılan araştırmalarda, sayısal çalışmalar daha kabul edilebilir hale gelmiştir. Bazı durumlarda sürtünme ve titreşim mekaniğinde analitik testler imkânsızdır veya deneyler çok maliyetlidir. Bununla birlikte, "zaman alıcı analitik çözüm" ile ne demek istediğimize karar vermek de ayrı ayrı mümkündür. Endüstriyel özelliklerden ticari ürüne kadar geniş bir yelpazede kullanılan polimerlerde, polimerlerin davranışlarını anlamak için polimerlerin çeşitli özellikleri hakkında daha teknik bilgiler gereklidir. Polimerlerin kullanımında gözlenen mekanik özelliklerde bir çok fenomen vardır; üçüncü olgudan biri, polimer metal teması, tekerlek raylı gürültü, telli aletler, titreşimler gibi geniş ölçekli teraziler ve bağlamlarda oluşan Sürtünme kaynaklı titreşimdir. Takım tezgâhı ve ayrıca araç freni sesi. Bu çalışmada disk üzeri aşındırma metodu ile deneysel testin geçerliliği incelenmiştir. Tutma-bırakma sürtünmesi kararsız titreşimlerin ve gürültünün başlıca nedenidir. Teknikte kullanılan polimer malzemelerin çeşitli parametrelere bağlı olarak gürültü karakteristiklerinin belirlenebilmesi için bir pim-ring deney tesisatı kullanılmıştır. Deney tesisatında değiştirilebilen parametreler normal yük ve kayma hızıdır. Numerik simülasyon da aynı parametreler kullanılarak tasarlanmış. Çalışmada disk üzeri aşındırma (POD) sisteminde tutma-bırakma sürtünmesi benzetilmeye çalışılmıştır. Sonlu eleman metodu (FEM) simülasyonu COMSOL ticari programı kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Ses ölçümü ise, 1/3 oktav bandında 20 Hz ile 6300 Hz arasındaki frekans bandında yapılmıştır. Akustik odanın ayrıntılı üç boyutlu modeli benzetilmiştir. Girdi değişkenleri ise ses yutma katsayısı, sürtünme katsayısı, malzeme özellikleri, hız ve normal yüklerdir. Üç farklı hız (0,2 0,5 1 [m/s]) ve üç farklı normal kuvvet (50, 80, 120 [N]) numerik incelememizde kullanılmıştır. Numerik yöntem iki farklı bölüm den oluşturulmaktadır. İlk adımda, sürtünme kaynaklı titreşim tutma-bırakma formuyla benzetilmeye çalışılmış ve çoklu kütle (multibody) dinamik metoduyla geliştirilmiştir. İkinci adımda, sürtünmeye bağlı titreşimin akustik koşulları benzetilmeye çalışılmıştır. Benzetilmeye edilmiştir. Akustik oda dışında bulunan ortamdan ve motordan kaynaklanan gürültü çalışmada modellenmemiştir. Karmaşık Öz değer Analizi (Complex Eigenvalue Analysis) sonuçları, sürtünme sisteminin dengesiz titreşim ve sızlanma ve sistemin titreşimine neden olma eğiliminde olduğunu gösterdi. Titreşim ivmesi ve temas basıncı, oluşan gürültüye neden olur. Her metot da farklı meş boyutları kullanılmış. Çoklu kütle dinamik kısmında önemli olan boyut disk ve pimin arasındaki mesafe olmaktadır. Bu nedenle, program da otomattık fiziğe bağlı meş metodu kullanıldı. Akustik modül da meş boyutu bir denklem ile hesaplanmış ve kullanılmış. Bu denklem birçok önceki çalışmalarda bulunmaktadır. Çoklu kütle dinamik kısmında, ilk karşılaştığımız problem titreşimin tasarımıdır. Titreşimi bir dalga formu seçenekle programda çözdük. Dalga formunda iki değişken bulunmaktadır. Şimdiye kadar tutma-bırakma fenomeni önceden tahmin edilemez bir harekettir ve sayısal bir yöntemle sadece hız ve sistem genişliğini belirlememiz gerektiği gibi faz açısı da belirlenmelidir. Bükülme olayında faz açısı bir hızdan diğerine farklılık gösterir. Dolaysıyla, birincisi tutma bırakma titreşimin faz açısı dır. Faz açısının bulmasına 6 farklı açı her bir hızda kullandık ve sonuçları deneysel sonuçlarla karşılaştırarak en iyi faz açısını bulduk. İkincisi, dalganın genlik kısmıdır. Genlik boyutu bir belli mesafede olmalıdır. Bunun neden lığı pim ve diskin arasındaki mesafedir. Bu sebepten dolayı, dalga genliğinin değişmesi bir değişken olarak bulunmamaktadır. Çoklu kütle kısmında, ölçülebilen büyüklükler ise titreşim hızlanması ve sistemdeki enerji olmamaktadır. Bir sonraki adımda, COMSOL iki çözüm metodunu bir birine bağlayarak akustik modül kısmını çözüyor. Akustik modül da en önemli kısım duvarların ses yetme katsayısının belirtmesidir ki COMSOL da ses yetme katsayısının deneysel olarak datalarını iç direnççine dönüştürerek çözdük. Akustik modül da, elde edilen sonuç, ses basınç düzeyidir. Elde edilen grafikler, deneysel sonuçlarla karşılaştırmıştır ve karakteristik olarak uymuştur. Sonuç kısmında, ilk aşamada uyumlu faz açısını bulmak ve sonraki adımda ses basınç sonuçlarda dağ ve tepelerin doğru frekansta olmalarını tastık etmektir. İkinci adımda, titreşim hızlanması ve ses basınç grafiklerini kıyaslaması yapılmış. Sonuçlara rağmen, SPL grafiklerde başak noktaları her farklı hız da aynı davranışı titreşim grafiklerde göstermektedir. Bir sonraki sonuçlarda normal kuvvetin etkisini titreşim hızlanmasında kontrol ettik. Elde edilen sonuçlar rağmen, küçük hızlarda kuvvetin artmasıyla titreşimin artması gözüküyor ancak, yüksek hızlarda bir artış sonra düşüş gözüküyor. Son kısımda, SPL sonuçları farklı hızlarda kıyaslamasıyla numerik incelememizin deneysel yapılmış ölçek ile doğru olduğunu yansıtıyor. Düşük frekanslarda, SPL'nin farkı yüksek frekanslardan daha düşüktür. Frekansın başak noktalarında, 0,5 m/s 'lik hızda, ses basınç seviyesi 1,0 m/s'yi hızdaki ses basıncını aşmış. Daha önce belirttiğimiz gibi farklı hızların farklı baskın frekansı nedeniyle bu davranış olunmaktadır. Daha önce de belirtildiği gibi sayısal araştırmalarda bazı etkenler ihmal edilmiştir. Bunlardan biri sıcaklığın etkisidir ve karşılaştırmak için uygun deneysel verilerin bulunmamasıdır. Bununla birlikte, daha düşük hızların yüksek frekanslarında negatif SPL miktarını görebiliriz. COMSOL'un çoklu kütle dinamik bölümünde termal genleşme seçenek kullanarak, sıcaklığın arttırılması kontrol edildi. Isı genleşmesi pime eklendi. 303,15 derecelik Kelvin ve 313,15 derece Kelvin için sonuçlar elde edildi. Genellikle, termal genleşmeye neden olan temas yüzeyin sıcaklığının artması, tüm frekanslarda SPL miktarını arttırır.
Summary:
This Thesis presents the numerical investigation on Friction-induced noise with FEM-simulation. In recent decades, exploring the noise problems in mechanical properties increases widely. Especially, numerical studies are now very popular because of simulation and high prediction rate. This study is a validation of experimental test with a pin on disk method. Stick- slip friction is the main causes of unstable vibrations and noise. In this study, we try to simulate the stick-slip friction in a pin-on-disc system. FEM-simulation was performed with using COMSOL commercial program. A detailed three-dimensional model of the acoustic room was simulated. Input variables such as sound absorption, friction coefficient, materials characteristics, velocity and normal loads needed. The first step is to simulate a friction-induced vibration in stick-slip form and it developed by the Multibody dynamic method. The second step is to simulate acoustical condition of friction-induced vibration to get SPL inside the room. We cannot simulate the SPL of room and motor, which are outside of acoustic room; therefore, results are just for friction-induced noise by stick-slip vibration without any other sound sources. Complex Eigenvalue Analysis (CEA) results indicated that the friction system had a tendency to cause unstable vibration and squeal, and the vibration of the system. The vibration acceleration and contact pressure are responsible to induced noise. It concluded that the vibration amplitude induced by friction is always high near the moving pin. Increasing the normal load and disc linear velocity generally increases the induced vibration amplitude and it causes to increase noise (dB). The effect of normal load is different, in lower speed of rotating by increasing the normal load vibration acceleration increases, however, in higher velocities it increases and then decreases.